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Die Erfindung betrifft einen Linearverdichter für Kältemaschinen entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
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Stand der Technik
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Verdichter für Kältemaschinen sind meist als umlaufende Geräte mit einem Antrieb durch einen asynchron nahe der Netzfrequenz laufenden Elektromotor ausgeführt, sind hermetisch gekapselt und benötigen ein recht großes Bauvolumen, das den verfügbaren Nutzraum den versorgten Kühlgeräte mindert. Allerdings werden in der Patentliteratur schon seit langer Zeit linear wirkende Verdichter beschrieben, zum Beispiel zeigen die Druckschriften
DE 1081179B und
DE 112007000156T5 jeweils einen Membranverdichter mit elektromagnetischem Antrieb. Die Druckschriften
DE 102005038784B3 und
US 5,993,175A zeigen Linearverdichter mit verbesserter Ölschmierung. Die Druckschriften
EP 1119708B1 und
WO 2007046592 zeigen elektromagnetisch angetriebene Linearverdichter, die Resonanzeffekte ausnutzen. Die Druckschrift
US 20060245932A1 beschreibt einen Linearverdichter mit einem Sensor für die Lage des Hubkolbens, und die Druckschrift
US 3,136,257A zeigt einen Linearverdichterfür einen Resonanzbetrieb mit Wellrohren zur Abdichtung von Anschlussleitungen. Schließlich zeigen die Druckschriften
WO 2008118040A1 und
WO 2012018148A1 weitere vorteilhafte Ausführungen von Linearverdichtern, wobei allerdings die Anforderungen an den Bauraum hoch bleiben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verdichtung von Kältemittel mittels eines elektromagnetischen Antriebs, Wechselstrom einer vorgegebenen Netzfrequenz nutzend, in einem möglichst kleinen Bauraum zu realisieren. Dabei soll eine sichere, hermetische Abdichtung durch statische Dichtungen, Membranen oder Faltenbälge vorgenommen sein und das Arbeitsfluid soll möglichst ölfrei sein. Schließlich sind niedrige Herstellkosten zu erreichen.
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Die Lösung dieser Aufgaben wird durch die Kombination der kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs erreicht, in Verbindung mit den Merkmalen der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäßen Linearverdichter werden durch elektromagnetische Kräfte angetrieben, wobei vorzugsweise entweder Linearmotoren mit Permanentmagneten oder als Hubmagnete bekannte Antriebe mit variablem Luftspalt zum Einsatz kommen. Allerdings können auch andere linear wirkende elektromagnetisch wirkende Antriebssysteme, wie zum Beispiel Tauchspulenantriebe oder linear wirkende Transversalflussmotore, angewandt werden. Von Bedeutung ist dabei die Eignung des Antriebssystems, in Resonanz mit der Frequenz der elektrischen Versorgungsspannung zu arbeiten, weil bei einem Resonanzbetrieb die beste Leistungsdichte erreicht wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Antriebssystem aus einem elektromagnetischen und aus einem mechanischen Teilsystem besteht, und mindestens eines der beiden Teilsysteme soll in Resonanz gehen. Das mechanische Teilsystem besteht aus der verbundenen bewegten Gesamtmasse des Kolbens und der mit ihm verbundenen Bauelemente und der Ersatzfedersteifigkeit aller auf die bewegte Gesamtmasse wirkenden elastischen Bauelemente, wobei auch dem komprimierten Arbeitsfluid eine elastische abstützende Wirkung zukommt.
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Die Ersatzfedersteifigkeit des komprimierten Arbeitsfluids wird nicht in allen Betriebszuständen gleich bleiben, daher ist es für die Resonanznutzung wichtig, dass die auf den Kolben wirkenden mechanischen Federn eine hohe Gesamtfedersteifigkeit und eine geringe Änderung der Federsteifigkeit als Funktion des Kolbenhubs aufweisen. Wenn sich die Federsteifigkeit, beispielweise eines auch federnd wirkenden Metallfaltenbalgs, als Funktion des Kolbenhubs ändert, dann sollte diese Änderung die Veränderung der Ersatzfedersteifigkeit des komprimierten Arbeitsfluids kompensieren und nicht in seiner Wirkung verstärken.
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Die federnde Wirkung des Metallfaltenbalgs kann durch eine weitere Federn verstärkt werden, die entweder innenliegend den Kolben gegen den Zylinder abstützen oder außenliegend den Kolben gegen das Gehäuse abstützen.
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Die Abdichtung des Linearverdichters nach außen ist von sehr großer Bedeutung für die Funktion des Geräts, denn in fast allen Anwendungsfällen ist eine Leckage nicht hinnehmbar und ein Nachfüllen nicht oder nur sehr umständlich durchführbar. Daher weisen bekannte Ausführungen von Linearverdichtern Gehäuse auf, die den gesamten Verdichter umschließen und gleichzeitig als Vorratsbehälter für das Arbeitsfluid dienen. Gemäß der Aufgabenstellung dieser Erfindung soll die Funktion des Vorratsbehälters abgetrennt und der Linearverdichter auf einen möglichst geringen Bauraum ausgelegt werden. Deshalb wird die erforderliche hermetische Abdichtung durch einen Metallfaltenbalg vorgenommen, der ein Gehäuse um den elektromagnetischen Antrieb mit einem beweglichen Trägerrohr verbindet, das mit dem Kolben bewegt wird. Dieser Metallfaltenbalg ist nicht die primäre Dichtung der Verdrängereinrichtung, die aus dem Kolben und einem Zylinder besteht, sondern der Metallfaltenbalg dichtet nur den Leckageraum hinter der primären dynamischen Dichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinder ab, gegebenenfalls auch den Saugraum, wenn der Leckageraum mit dem Saugraum verbunden ist. Als primäre Dichtung dient die hochgenaue Passung zwischen dem Kolben und dem Zylinder, die aber nicht völlig leckagefrei ausgeführt werden kann. Damit an der hochgenauen Passung kein unzulässiger Verschleiß oder unzulässig hohe Reibung auftritt, wird vorteilhafterweise eine Beschichtung des Kolbens oder der Lauffläche des Zylinders mit einer reibungsmindernden und verschleißreduzierenden Beschichtung vorgesehen, die allerdings gegen das eingesetzte Arbeitsfluid resistent sein muss. Wenn die genannte Beschichtung die Passung ausreichend vor Verschleiß schützt, kann auf die Zumischung von Schmierstoff zu dem Arbeitsfluid verzichtet werden, was die Leistungsfähigkeit des Kühlsystems erheblich steigern kann.
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In einer vorteilhaften Ausführung des Linearverdichters wird der Sauganschluss mit dem Kolben bewegt und ist mit einer flexiblen Leitung verbunden, die als gewendelte oder mit Faltenbalgen versehene Rohrleitung mit eng tolerierter Federsteifigkeit und geringer Dämpfung ausgeführt ist. Die Federsteifigkeit der Rohrleitung ist bei der Auslegung auf die erforderliche mechanische Eigenfrequenz des Schwingungssystems des Linearverdichters zu berücksichtigen.
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Ein alternativer Anschluss der Saugleitung an den Linearverdichter erfolgt nicht an den beweglichen Kolben, sondern an das feststehende Gehäuse des elektromagnetischen Antriebes. Dazu enthält das Gehäuse einen Kanal, der von dem Sauganschluss zum Leckageraum zwischen dem Metallfaltenbalg und dem Trägerrohr führt, wobei das Trägerrohr, das dem elektromagnetischen Antrieb mit dem Kolben verbindet, wegen einer oder mehrerer Bohrungen das Arbeitsfluid zur freien Außenfläche des Kolbens strömen lässt. Durch Querbohrungen in dem Kolben gelangt das Arbeitsfluid in den Kolben.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist ein wesentlicher Teil des elektromagnetischen Antriebs, nämlich die Spulenbaugruppe, gegen den Leckageraum und gegebenenfalls den Saugraum durch ein Spaltrohr abgedichtet. Dabei liegt im Fall der Anwendung eines Linearmotors der Magnet innerhalb des Spaltrohres im Arbeitsfluid. Im Fall der Anwendung eines Hubmagneten als Antrieb liegt der Anker innerhalb des Spaltrohrs, das dann vorteilhafterweise eine Durchmesservariation über der Länge aufweist. Das Spaltrohr soll mechanisch dichten, aber magnetisch nicht leiten, daher wird es aus einem magnetisch möglichst wenig leitfähigen Material erstellt. Die wesentlichen Vorteile der Verwendung eines Spaltrohrs liegen darin, dass die Spule nicht hermetisch abgedichtet werden muss und dass das Arbeitsfluid nicht mit dem Kunststoff der Spulenummantelung in Kontakt kommt.
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Im Fall der Anwendung eines Linearmotors mit einem beweglichen Permanentmagneten lässt sich die axiale Kraft des Magneten steigern, wenn man den radialen Luftspalt zwischen dem beweglichen Magneten und dem Zylinder möglichst klein ausführt und den Zylinder aus einen leicht magnetisierbaren Material herstellt, dann wirkt der Zylinder als Eisenrückschluss und verbessert die Leitung des magnetischen Flusses und erhöht die Kraft des Magneten.
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Ein Vorteil für die Lagerung des Linearverdichters und die Isolierung möglicher von dem Linearverdichter erzeugter Vibrationen ergibt sich, wenn der Linearverdichter als Zwei-Massen-Schwingungssystem realisiert ist, wobei die erste Masse aus dem Gehäuse, der Spule, der Einrichtung zur Magnetflussleitung, dem Zylinder und den damit fest verbundenen Bauteilen besteht. Dabei besteht die zweite Masse aus dem Kolben, dem Trägerrohr, dem Magneten oder dem Anker und den damit fest verbundenen Bauteilen. Eine erste Feder oder eine erste Gruppe von Federn stützt die erste Masse zu einem feststehenden umgebenden Bauteil hin ab und der federnd wirkende Metallfaltenbalg sowie gegebenenfalls eine weitere Feder stützt die zweite Masse gegen die erste Masse ab.
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Alternativ zu der Ausführung des Linearverdichters mit einem Kolben wird der Linearverdichter mit zwei Kolben ausgeführt, die sich gleichzeitig gegenläufig bewegen. Diese Ausführung erfordert zwar zwei elektromagnetische Antriebe, aber es treten nur sehr geringe nach außen wirksame Schwingungen auf, da sich die Schwingungsanregungen durch die beiden Kolben gegenseitig kompensieren.
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Anwendung findet die erfindungsgemäßen Linearverdichter in stationären Kühlanlagen oder Kühlgeräten und mobilen Kühlanlagen in Fahrzeugen.
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Bilder:
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1 zeigt den erfindungsgemäßen Linearverdichter mit einem Antrieb durch einen elektromagnetischen Linearmotor
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2 zeigt den Linearverdichter mit einem Antrieb durch einen Hubmagneten
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3 zeigt den Linearverdichter mit zwei Kolben.
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Beispielhafte Ausführung
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Ein Linearverdichter (2), wie in 1 dargestellt, komprimiert ein Arbeitsfluid und fördert es von einem Sauganschluss (9) zu einem Druckanschluss (21). Der Linearverdichter besteht aus einem elektromagnetischen Antrieb (22) und einer Verdrängereinrichtung (23). Die Verdrängereinrichtung ist vorzugsweise aus einem Kolben (13), einem Zylinder (10), einem ersten Ventil (11) und einem zweiten Ventil (12) aufgebaut.
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Die Verdrängereinrichtung (23) weist zwischen dem Kolben (13) und dem Zylinderrohr (10) eine erste innere Dichtung auf, die als Spaltdichtung ausgebildet ist. Eine zweite äußere Dichtung ist durch einen Metallfaltenbalg (8) realisiert, der ein Gehäuse (14) um den elektromagnetischen Antrieb (22) mit einem Trägerrohr (5) verbindet, das auch den Kolben (13) bewegt.
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In einer ersten Ausführung besteht der elektromagnetische Antrieb aus einer Spule (4), einer Einrichtung zur Magnetflussleitung (3), einem axialen Luftspalt (15) und einem radial dauerhaft magnetisierten Magneten (6), der axial beweglich ist und durch das Trägerrohr (5) den Kolben (13) bewegt. Dabei entsteht die antreibende Kraftwirkung auf den Magneten (6) durch die Interaktion des Magnetfeldes des permanent magnetisierten Magneten (6) mit dem veränderlichen Magnetfeld im Luftspalt (15).
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In einer zweiten Ausführung gemäß 2 besteht der elektromagnetische Antrieb aus einer Spule (4), einer Einrichtung zur Magnetflussleitung (3), einem Magnetpol (17), einem Magnetjoch (18), einem Luftspalt (15) veränderlicher Länge und einem weichmagnetischen Anker (16), der den Kolben (13) bewegt. Dabei entsteht die antreibende Kraftwirkung auf den Anker durch das magnetische Feld im Luftspalt (15) veränderlicher Länge.
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Wie in 3 dargestellt, kann die Verdrängereinrichtung auch aus einem Zylinder (10), zwei Kolben (13) und (13'), einem ersten Ventil (11) und einem zweiten Ventil (12) aufgebaut sein. Dabei werden dann vorzugsweise auch zwei elektromagnetische Antriebe (22) und (22') und zwei Metallfaltenbälge (8) und (8') eingesetzt.
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Der zur äußeren Abdichtung eingesetzte Metallfaltenbalg (8) besitzt eine ausgeprägte Federeigenschaft mit geringer Dämpfung und eine eng tolerierte Federrate, wobei die Summe der Federwirkungen des Metallfaltenbalgs (8) und des komprimierten Arbeitsfluids so auf die verbundenen Massen des Kolbens (13), des Magneten (6) oder des Ankers (16) und aller damit verbundenen beweglichen Bauteile abgestimmt ist, dass dieses schwingungsfähige System eine Eigenfrequenz aufweist, die annähernd einer Frequenz des elektrischen Stroms entspricht, der der Spule (4) aufgeprägt wird.
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Die Ventile (11) und (12) sind vorzugsweise als schnellschaltende Lamellenventile ausgeführt, die bei der Resonanzfrequenz der Verdrängereinrichtung nahezu verzögerungsfrei im Vergleich zur Bewegung des Kolbens (13) arbeiten.
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Der Sauganschluss (9) wird vorzugsweise mit dem Kolben (13) bewegt und ist mit einer flexiblen Leitung (24) verbunden, die als gewendelte oder mit Faltenbalgen versehene Rohrleitung mit eng tolerierter Federsteifigkeit und geringer Dämpfung ausgeführt ist. Alternativ ist der Sauganschluss (9) mit dem Gehäuse (14) mechanisch verbunden und fluidisch durch die Bohrungen (19) und (20) mit der Saugseite des Kolbens (13) verbunden.
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Bei der Ausführung des elektromagnetischen Antriebs als Linearmotor ist vorteilhafterweise ein Spaltrohr (7) zwischen der Einrichtung zur Magnetflussleitung (3), der Spule (4) und dem Luftspalt (15) einerseits und dem Magneten (6) andererseits angeordnet. Dadurch wird die Baugruppe bestehend aus der Spule (4) und der Einrichtung zur Magnetflussleitung (3) gegen Arbeitsraum des Magneten (6) abdichtet, wobei das Spaltrohr aus einem nicht oder nur sehr geringfügig magnetisierbaren Metall hergestellt ist.
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Bei derselben Ausführung ist vorteilhafterweise der radiale Luftspalt zwischen dem beweglichen Magneten (6) und dem Zylinder (10) gering genug, um den Zylinder (10) als Eisenrückschluss für den radial magnetisierten Magneten (6) wirken zu lassen.
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Bei der Ausführung des linearen Antriebs als Hubmagnet lässt sich ebenfalls vorteilhaft ein Spaltrohr zwischen der Einrichtung zur Magnetflussleitung (3), der Spule (4) und dem Luftspalt (15) einerseits und dem Anker (16) andererseits ein Spaltrohr zur Abdichtung zur Spulenbaugruppe hin anordnen.
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Bei beiden Ausführungen des elektromagnetischen Antriebs erhält man einen weiteren Vorteil, wenn der Kolben (13) und/oder der Zylinder (10) mit einer kältemittelbeständigen und reibungsmindernden Beschichtung versehen ist.
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Der Linearverdichter ist vorteilhafterweise als abgestimmtes Zwei-Massen-Schwingungssystem realisiert, wobei die erste Masse aus dem Gehäuse (14), der Spule (4), der Einrichtung zur Magnetflussleitung (3), dem Zylinder (10) und den damit fest verbundenen Bauteilen besteht und wobei die zweite Masse aus dem Kolben (13), dem Trägerrohr (5), dem Magneten (6) oder dem Anker (16) und den damit fest verbundenen Bauteilen besteht und wobei eine erste Feder oder eine erste Gruppe von Federn die erste Masse zu einem umgebenden Bauteil hin abstützt und wobei der federnd wirkende Metallfaltenbalg (8) und das komprimierte Arbeitsfluid die zweite Masse gegen die erste Masse abstützt.
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Wenn in einer beliebigen Ausführung des Linearverdichters die federnde Wirkung des Metallfaltenbalgs (8) nicht ausreicht, wird sie durch eine weitere Feder (26) verstärkt, die entweder innenliegend den Kolben (13) gegen den Zylinder (10) abstützt oder außenliegend den Kolben (13) gegen das Gehäuse (14) abstützt.
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Durch eine Wahl besonders verschleißfester Werkstoffe oder Beschichtungen (25) für den Kolben (13) und/oder den Zylinder (10) in Verbindung mit einem angemessenen radialen Spiel zwischen diesen beiden Bauteilen wird der Linearverdichter vorteilhafterweise ohne einen Zusatz von Schmierstoff zu dem Arbeitsfluid betrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kältemaschine
- 2
- Linearverdichter
- 3
- Einrichtung zur Magnetflussleitung
- 4
- Spule
- 5
- Trägerrohr
- 6
- Magnet
- 7
- Spaltrohr
- 8
- Metallfaltenbalg
- 9
- Sauganschluss
- 10
- Zylinder
- 11
- Erstes Ventil
- 12
- Zweites Ventil
- 13
- Kolben
- 14
- Gehäuse
- 15
- Luftspalt
- 16
- Anker
- 17
- Magnetpol
- 18
- Magnetjoch
- 19
- Bohrung
- 20
- Bohrung
- 21
- Druckanschluss
- 22
- Elektromagnetischer Antrieb
- 23
- Verdrängereinrichtung
- 24
- Leitung
- 25
- Beschichtung
- 26
- Feder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1081179 B [0002]
- DE 112007000156 T5 [0002]
- DE 102005038784 B3 [0002]
- US 5993175 A [0002]
- EP 1119708 B1 [0002]
- WO 2007046592 [0002]
- US 20060245932 A1 [0002]
- US 3136257 A [0002]
- WO 2008118040 A1 [0002]
- WO 2012018148 A1 [0002]
